JP2003218317A

JP2003218317A - 半導体電力変換装置

Info

Publication number: JP2003218317A
Application number: JP2002010302A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Kawase; 大助川瀬; Kazuo Usami; 和男宇佐美; Akira Bando; 阪東　　明
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2003-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で高い信頼性を備えた高機能の半導体電
力変換装置を低コストで提供すること。【解決手段】２枚の制御基板１０９ａ、１０９ｂをフ
レキシブル基板１１０で電気的に接続し、これを折り曲
げでケース１０６の中に上下に離して配置した半導体電
力変換装置において、２枚の制御基板１０９ａ、１０９
ｂは、当初、１枚に連続した形の基板で作られ、フレキ
シブル基板１１０で電気的に接続し、必要な電子部品な
どを実装した後、割って分離されているもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、モジュール化され
た半導体装置に係り、特に制御回路も含めてモジュール
化した半導体電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体スイッチング素子を内蔵さ
せモジュール化した半導体電力変換装置は、ＭＯＳＦＥ
Ｔなどパワースイッチング素子の高性能化と家電品のイ
ンバータ化に伴って用途が広がり、高機能化と低価格化
が強く要求されるようになっている。

【０００３】特に、高機能化についての要求は年々高ま
るばかりで、近時は半導体スイッチング素子を内蔵した
パワー半導体モジュールにとどまらず、これに制御回路
を内蔵したＩＰＭ(Inteligent Power Module)や、更に
はマイコンまで含む制御回路を内蔵した半導体電力変換
装置へと高機能化が進んでいる。

【０００４】ところで、このような半導体電力変換装置
の場合、半導体スイッチング素子が搭載されているパワ
ー回路部分は、半導体スイッチング素子の発熱量の多さ
を考慮し、通常、高熱伝導性の金属などからなる金属基
板と、高熱伝導性且つ高電気絶縁性の材料からなる絶縁
基板と、パターンが形成された電気回路とで構成される
のが一般的である。

【０００５】このとき、発熱量の大きな中容量から大容
量の製品では、絶縁基板として、高価ではあるが、熱伝
導率の高いセラミックスが主として用いられ、他方、比
較的小容量の製品では、熱伝導率は小さいが安価な合成
樹脂が用いられている。

【０００６】一方、制御回路部分は、主に信号処理や制
御処理に必要な小電力を扱うだけなので、安価で且つ多
層配線が容易に形成できる多層ガラスエポキシ基板が用
いられることが多い。

【０００７】また、このような近年での高機能化要求に
伴い、パワー回路部分に対して、制御回路部分の面積が
相対的に大きくなっているが、一方、このような制御回
路部分の大面積化に相反して、設置面積の小型化が要求
され、このことは、特に車両用など設置場所が限られて
いる用途で顕著である。

【０００８】ここで、図８は、従来技術による半導体電
力変換装置モジュールの一例を示したもので、このモジ
ュールは、図示のように、金属基板となる放熱板１０１
をアルミニウム製にし、絶縁基板として樹脂絶縁層１０
２を用いたもので、この樹脂絶縁層１０２の表面に導体
パターンによる電気回路１０３を設け、この電気回路１
０３上に、熱拡散板８０２を介して、ＭＯＳＦＥＴなど
のパワー半導体素子１０４が半田接合されているもので
ある。

【０００９】この図８のモジュールの場合、電気回路１
０３を形成している導体パターンの厚さは７０μｍ程度
が一般的であり、熱拡散板８０２の厚さは、熱拡散の効
果を考慮して０.７〜１.２ｍｍ程度である。そして、電
気回路１０３には金属細線１０５による接続が施され、
更にケース１０６に設けた外部接続端子１０８に対する
配線が施される。

【００１０】一方、制御基板１０９はガラスエポキシ製
の多層基板で形成されているが、ここで、制御基板が２
枚の制御基板１０９ａ、１０９ｂに分けられているの
は、設置面積を小さくするためであり、そして、まず制
御基板１０９ｂは、樹脂絶縁層１０２上に接着剤等によ
り接合され、半導体スイッチング素子１０４と制御基板
１０９ｂは金属細線１０５で電気的に接合される。

【００１１】また、制御基板１０９ｂには、インサート
形成によりケース１０６に埋込み係止された内部端子８
０１の一方の端部が半田付けされ、その他方の端部に制
御基板１０９ａが半田付けされることにより、相互に電
気的に接合される。

【００１２】そして、ケース１０６の内部に柔らかいゲ
ル状の樹脂１０７を注入して充満させた後、比較的硬い
樹脂１１２によりケース１０６を封止する。ここで、柔
らかい樹脂を用いられているのは、中にある半導体スイ
ッチング素子や金属細線、端子などにケース１０６の熱
変形などによる応力が加わるのを避けるためであり、柔
らかい樹脂１０７には、主にシリコンゲルが用いられ
る。

【００１３】一方、硬い樹脂１１２には主にエポキシ樹
脂が用いられるが、ここで、硬い樹脂が用いられるの
は、この硬い樹脂１１２により、ケース１０６のフタが
形成されるようにするためである。

【００１４】ここで、半導体スイッチング素子１０４の
下部に熱拡散板８０２が設けてあるのは、この半導体ス
イッチング素子１０４の発熱を考慮したためで、半導体
スイッチング素子の放熱が不充分であると、許容温度の
保持が困難になり、場合によっては動作不良の原因とな
るからである。

【００１５】また、制御基板が２枚に分けられているの
は、モジュールの設置面積を小さくするためで、これ
は、上記したように、半導体電力変換装置の高機能化に
伴い、パワー回路部分に対して制御回路部分の面積が相
対的に大きくなっていることに対応するためである。

【００１６】ここで、これらの制御基板１０９ａ、１０
９ｂは、主に多層ガラスエポキシ基板で構成されるが、
このとき、設置面積を小さくするためには、搭載部品の
発熱量が小さい制御基板の一部又は全部を、金属基板と
なる放熱板１０１から空間的に離してパワー回路部分の
上部に設置することが有効である。

【００１７】また、マイコン等の電子部品は、半導体ス
イッチング素子と比較して、一般に許容動作温度が低い
ので、半導体スイッチング素子の発熱により温度が高く
なる金属基板から空間的に離すことは、誤動作を防ぎ、
高信頼性を得るために都合がよい。

【００１８】ここで、この図８に示すモジュールでは、
上記したように、内部端子８０１がケース１０６に機械
的に係止されているので、使用時の振動、熱揺さぶりに
よる樹脂の熱変形等より、制御基板の半田付け部に応力
が生じるので、これを緩和する必要がある。

【００１９】そこで、このモジュールでは、内部端子８
０１にベンド(曲げ部)を形成させ、これにより、上下２
枚に分けた制御基板１０９ａ、１０９ｂの接続部(半田
付け部)に応力が掛からないようにしてある。

【００２０】半田付け部に掛かる応力が大きいと半田付
け部が断線し、スイッチング素子が動作不良を起す虞れ
があり、場合によっては破壊の原因にもなり、従って、
内部端子により制御基板を接続する場合には、半田付け
部に発生する歪みを軽減するため、ベンドは必須であ
る。

【００２１】ところで、このようにベンドを設けた内部
端子によれば、半田接合部の高信頼性は得られるが、反
面、複雑なベンド形状が必要なため高価になることが問
題である。

【００２２】また、このような内部端子でも、ロボット
を用いた制御基板の自動組立は可能であるが、しかし、
制御基板を２枚に分けない場合、つまり設置面積が大き
くなっている場合と比較して半田接合の回数が増えてし
まうので、この点でも高価になる問題がある。

【００２３】そこで、２枚の制御基板の接続にコネクタ
を用いるようにしたモジュールが知られており、その一
例について、図９により説明すると、このモジュールで
は、まず、一方の制御基板１０９ａに、電子部品と同時
に雄コネクタ９０１ａを半田付けし、他方の制御基板１
０９ｂには、同様に電子部品と同時に雌コネクタ９０１
ｂを半田付けする。

【００２４】そして、制御基板１０９ｂを樹脂絶縁層１
０２上に接着後、雄コネクタ９０１ａが雌コネクタ９０
１ｂに挿入されるようにして、制御基板１０９ｂの上に
制御基板１０９ａを位置決めすることにより、制御基板
同士の電気的な接続が得られるようにするのである。

【００２５】この図９に示したモジュールの場合、コネ
クタが電子部品と同時に半田付けできるので、図８のモ
ジュールと比較して半田付けの回数が少なくなり、安価
にできるという利点がある反面、コネクタによっては振
動、熱変形により生じる半田部の応力が緩和される働き
が得られないので、信頼性の点で問題がある。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、半導
体電力変換装置は、発熱の大きい半導体スイッチング素
子を含むパワー回路部と、制御、信号等の小信号を扱う
制御回路部からなっている。そこで、設置面積を小さく
するため、上記従来技術では、制御回路部の一部又は全
部を金属基板から空間的に離している。

【００２７】このため、高信頼性の半導体電力変換装置
を得るためには、半導体スイッチング素子の放熱と半田
付け部の応力の緩和が必要で、それを安価に提供するた
めには、加工プロセスの簡略化、特に半田付けの回数を
極力減らす必要があるが、上記従来技術では、これらの
要件が満たせなかった。

【００２８】ところで、モジュールの設置面積を小さく
し、且つ制御基板の半田付け部の応力を緩和する方法と
して、図１０に示すように、フラットケーブルを用いる
方法があり、これは特に信頼性が要求される自動車の電
装品に用いられているものであるが、図示のように、両
面実装された多層ガラスエポキシ基板からなる制御基板
１０９ａ、１０９ｂ間をフラットケーブル１００２で接
続したものである。

【００２９】ここで、この図１０では、制御基板１０９
ａ、１０９ｂ上に実装されている電子部品は省略してあ
り、全体は金属製のケース１００１内に固定して収納さ
れ、モジュール化され、外部との電気的な接続は、ガラ
スエポキシ基板からなる制御基板１０９ｂ上に半田付け
したコネクタ１１１を用い、これの結合部をケース１０
０１の外に出すことにより実現している。

【００３０】ここで使用されているフラットケーブル１
００２は柔軟に折り曲げることができ、図８の内部端子
８０１と比較して剛性が低いので、自動車の走行、エン
ジンの回転等による振動に際しても、半田付け部に発生
する歪みが小さい。また、フラットケーブルは、ディッ
プ部品と同様に、ガラスエポキシ基板のスルーホール部
に実装できるので、安価に組立ができる。

【００３１】しかし、この場合、ガラスエポキシ基板は
熱抵抗が大きく、半導体スイッチング素子の発熱を放熱
することは出来ないので、パワー回路部を設けることが
出来ない。また、このとき、符号Ｐで図示してあるよう
に、フラットケーブル１００２の端子部分がガラスエポ
キシ基板のスルーホールから反対側にはみ出してしまう
ため、ケース１００１に密着して設置することが出来な
い。

【００３２】このため、この図１０のモジュールでは、
ガラスエポキシ基板がケースから熱的に隔離されてしま
うので、放熱が必要な半導体スイッチング素子の搭載に
は向かず、半導体電力変換装置には適用できない。

【００３３】次に、同じくモジュールの設置面積を小さ
くし、且つ制御基板の半田付け部の応力を緩和する方法
として、図１１に示すように、フレキシブル基板を用い
る方法がある。ここで、このフレキシブル基板は、民生
用として、ビデオカメラ、薄型ディスプレイなど特に小
型化が要求される場合に従来から用いられるているもの
である。

【００３４】この図１１には、薄型ディスプレイ１１０
１とガラスエポキシ製の回路基板１０９がフレキシブル
基板１１０を介して半田接合により電気的に接続されて
いる場合が示されており、この場合、フレキシブル基板
１１０上には、ドライバＩＣ１１０２等の電子部品が搭
載されるようになっている。

【００３５】フレキシブル基板１１０は、形状が容易に
変形可能であることから、実装の自由度が高く、フラッ
トケーブルと同様、剛性が低いので半田接続部の振動、
熱揺さぶりによる断線の心配も少ない。しかもフラット
ケーブルとは異なり、部品が実装できるので小型化に有
効である。

【００３６】しかし、フレキシブル基板はガラスエポキ
シ基板と同様、熱抵抗が高いので、半導体スイッチング
素子を含むパワー回路を設けることは出来ず、やはり半
導体電力変換装置には適用できない。

【００３７】本発明の目的は、小型で高い信頼性を備え
た高機能の半導体電力変換装置を低コストで提供するこ
とにある。

【００３８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、半導体スイ
ッチング素子と同一のケース内に複数枚の制御基板を備
えた半導体電力変換装置において、前記複数枚の制御基
板が、当初、１枚の基板から作られ、夫々の制御基板と
なる部分の間にフレキシブル基板による電気的接続が施
された後、当該制御基板となる部分毎に分離されている
ようにして達成される。

【００３９】また、このとき、前記フレキシブル基板の
少なくとも一部は、縦弾性係数が１×１０^-3〜２Ｍｐａ
の樹脂で封止され、前記複数枚の制御基板のうちの少な
くとも１枚は、前記半導体スイッチング素子の放熱板か
ら空間的に離されているようにしたも、上記目的が達成
される。

【００４０】ここで、前記複数枚の制御基板は、前記１
枚の基板を割ることにより分離されていても良く、更に
このとき、前記１枚の基板が、所定の位置に溝又はスリ
ット若しくは縫い目状に配置した複数の小孔の何れかを
備え、前記分離が、これらの何れかの部分で割ることに
より与えられるようにしても良い。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、本発明による半導体電力変
換装置について、図示の実施の形態により詳細に説明す
る。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態に限
られるものではない。

【００４２】まず、図１は、本発明を、ＭＯＳＦＥＴか
らなる３相パワー回路と、パワー回路を制御する制御回
路を含む半導体電力変換装置に適用した場合の一実施の
形態で、ここで、まず図１(a)は平面構造を表わし、次
に同図(b)は、図１(a)のＡ−Ａ断面を表わす。

【００４３】これらの図において、この実施形態による
半導体電力変換装置は、放熱板１０１の一方の面(図１
(b)では上側になっている方の面)に絶縁基板となる樹脂
絶縁層１０２を設け、その上に電気回路１０３を接合さ
せ、その所定の位置に半導体スイッチング素子１０４が
半田により接合されている。

【００４４】ここで、この実施形態でも、制御基板が上
側の制御基板１０９ａと下側の制御基板１０９ｂの２枚
に分けてあり、これらは何れも多層ガラスエポキシ基板
からなり、夫々、マイコン等の電子部品及び信号端子が
搭載している(図では制御基板１０９に実装された電子
部品は省略されている)。

【００４５】次に、半導体スイッチング素子１０４と電
気回路１０３、制御基板１０９ｂ、それに合成樹脂製の
ケース１０６にインサート形成してある外部接続端子１
０８の間は金属細線１０５により接続されるが、この金
属細線１０５には、３００〜５００μｍφ程度のアルミ
ニウム合金のワイヤが用いられている。

【００４６】そして、この実施形態では、特に図１(b)
に明瞭に示されているように、ケース１０６は、樹脂絶
縁層１０２を介して放熱板１０１に接着されているが、
この放熱板１０１には、一方の制御基板１０９ｂが、樹
脂絶縁層１０２を介して機械的に接合され、他方の制御
基板１０９ａは、ケース１０６の内壁面に幾つか形成し
てある台座１１４に載せられ、後述する封止樹脂１１２
により固定される。

【００４７】ここで、符号１１０はフレキシブル基板
で、このフレキシブル基板１１０は、ポリイミド等の合
成樹脂の薄板により金属薄板(箔)からなる回路パターン
を挟んだ構造であり、複数枚の金属薄板と樹脂薄板を積
層させることにより多層回路基板も形成可能なものであ
る。

【００４８】そして、このフレキシブル基板１１０に
は、接続用の回路パターンが形成してあり、この回路パ
ターンの一方の端部を制御基板１０９ｂの回路パターン
に半田付けし、他方の端部は制御基板１０９ａの回路パ
ターンに半田付けすることにより、２枚の制御基板１０
９ａ、１０９ｂの間に必要な電気的接続が与えられるよ
うになっている。

【００４９】このとき、制御基板１０９ａには、外部と
接続するためのコネクタ１１１が搭載してあり、制御基
板１０９ａ上で、コネクタ１１１とフレキシブル基板１
０９を一方の面と他方の面に分けて搭載することによ
り、外部とパワー回路部の双方に対する電気的な接続が
得られるようにしてある。

【００５０】ここで、これら制御基板１０９ａ、１０９
ｂの詳細について、図２により説明すると、まず、これ
ら制御基板１０９ａ、１０９ｂは、図示のように、当初
は１枚の基板１０９の図では左右に分けた部分として作
っておき、それらの境界線には両面からＶ字型断面の溝
Ｇを形成しておく。

【００５１】次に、この状態で、溝Ｇを跨ぐようにし
て、フレキシブル基板１０９を夫々の制御基板１０９
ａ、１０９ｂとなる部分に半田付けした後、一方の制御
基板、例えば制御基板１０９ｂとなる部分を、図示の矢
印Ｘで示すように折り曲げ、溝Ｇで他方の制御基板１０
９ａとなる部分から割れてしまうまで力を加え、夫々の
部分をフレキシブル基板１０９で繋がったままで分離さ
せる。

【００５２】そして、このように、フレキシブル基板１
１０で繋がった状態で２枚に分離された制御基板１０９
ａ、１０９ｂのうち、一方の制御基板１０９ｂの接合面
Ｊを樹脂絶縁層１０２上に接着剤等により接合した後、
他方の制御基板１０９ａを、制御基板１０９ｂの上に重
なるように、フレキシブル基板１１０の部分で折り曲
げ、図１に示すように、パワー回路部の上部で裏返しに
なって台座１１４に載せられ、固定されるのである。

【００５３】ここで、このようにして制御基板１０９ａ
をケース１０６に装着する前に、上記したように、この
ケース１０６内にゲル状の樹脂１０７を注入し、半導体
スイッチング素子１０４と金属細線１０５、それに電気
回路１０３を封止する。

【００５４】既に課題を解決するための手段で説明した
ように、剛性の低いフレキシブル基板で振動、熱変形に
よる半田部にかかる応力を緩和するためには、フレキシ
ブル基板の封止には剛性の低い樹脂を用い、フレキシブ
ル基板がある程度自由に動けるようにする必要がある。

【００５５】そこで、封止の際や使用時に、金属細線１
０５や半導体スイッチング素子１０４、フレキシブル基
板１１０に悪影響が与えられるのを防止するため、この
封止用の樹脂１０７にはシリコンゲルなどの比較的柔ら
かい材料を用いるが、このシリコンゲルの縦弾性係数
は、一般に１×１０^-3〜２Ｍｐａの範囲である。

【００５６】但し、縦弾性係数が小さく、フレキシブル
基板１１０の熱応力緩衝効果が充分に発揮できるもので
あれば、封止用の樹脂１０７をシリコンゲルに限る必要
はない。

【００５７】この後、更に封止樹脂１１２をケース１０
６内に充填し硬化させ、制御基板１０９ａの固定と、ケ
ース１０６のフタが形成されるようにしてやれば、半導
体電力変換装置が完成する。なお、ここで、特に説明し
なかった点については、図８で説明した従来技術の場合
と同じである。

【００５８】次に、この図１の実施形態の細部につい
て、更に具体的に説明する。まず、放熱板１０１につい
ては、軽量化が重視された場合は、アルミニウム若しく
はアルミニウム合金で作られる。これは、放熱板が半導
体電力変換装置内で比較的大きな体積を有するので、銅
と比較して比重が小さく軽くできるアルミニウムが適し
ているからである。しかし、放熱を考慮した場合には、
より熱伝導率の高い銅又は銅合金が用いられる。

【００５９】そして、この放熱板１０１は、内部での熱
の広がりによる熱抵抗の低減が充分に得られるように、
１.５〜５.０ｍｍの厚さにするのが望ましい。更に、こ
の放熱板１０１には取付孔１１３が設けてあり、これに
より、この半導体電力変換装置が、図示してない冷却フ
ィンに容易に取付けることができるようになっている。

【００６０】次に、樹脂絶縁層１０２には低熱抵抗性と
高絶縁性が要求され、このため、フィラーが分散された
エポキシ樹脂を用いる。ここで、フィラーには、例えば
酸化珪素、酸化アルミニウムなどの高熱伝導性の無機化
合物で作られたものが用いられている。

【００６１】このとき、フィラーの含有率を増すほど、
樹脂絶縁層１０２の熱抵抗が低減できるが、エポキシ樹
脂中に分散可能なフィラー量には限界があるので、通常
はフィラーの含有率を７５〜９５％の範囲にする。この
場合、樹脂絶縁層１０２の熱伝導率は２〜５Ｗ／ｍＫの
範囲となる。

【００６２】一方、樹脂絶縁層１０２の熱抵抗を低減す
るのに有効な別の方法は、それを薄くすることである。
しかし、樹脂絶縁層１０２を薄くすると、その分、絶縁
耐圧が低下してしまう上、樹脂絶縁層１０２にピンホー
ルなどが発生し易くなって、信頼性の低下につながる虞
れがあり、従って、この樹脂絶縁層１０２の厚さの下限
には限界があり、要求される絶縁耐圧にもよるが、５０
〜２５０μｍ程度が下限になる。

【００６３】また、この樹脂絶縁層１０２は、電気回路
１０３を放熱板１０１から絶縁するものであるから、電
気回路１０３の周囲にも絶縁耐圧に相当する沿面距離が
必要であり、このため、足りない分は放熱板１０１の表
面を絶縁層で覆うことで補う必要がある。そこで、この
実施形態では、放熱板１０１の電気回路１０３側の面も
含めて、その全面に樹脂絶縁層１０２が設けてある。

【００６４】次に、電気回路１０３は、銅若しくはアル
ミニウムで作られ、樹脂絶縁層１０２の表面に張り合わ
されているが、ここでは、その板厚が０.７ｍｍ以上
と、かなり厚くしてある。そして、このように電気回路
１０３を厚く(０.７ｍｍ以上)した結果、この実施形態
では、ここで充分な熱広がりが得られることになり、こ
のため、図８で説明した従来技術のように、熱拡散板８
０２を設ける必要がなくなる。

【００６５】ここで、この電気回路１０３は、図１(a)
に示されているように、回路パターンに応じた平面形状
を有しているが、このとき、銅若しくはアルミニウムは
加工性に優れているので、板厚が０.７ｍｍ以上あって
も、プレス加工によって、回路パターンに応じて任意の
形状に作り出すことができる。

【００６６】ところで、上記実施形態においては、電気
回路１０３の表面に、例えばニッケル、銀、白金、錫、
アンチモン、鉛、銅、亜鉛、パラジウム、金の群から選
択された少なくとも１種の半田濡れ性が良好な金属、若
しくはニッケル、銀、白金、錫、アンチモン、鉛、銅、
亜鉛、パラジウム、金の群から選択された少なくとも２
種の金属を含む半田濡れ性が良好な合金を被覆するよう
にしてもよい。

【００６７】次に、半導体スイッチング素子１０４には
ＭＯＳＦＥＴが用いられ、これが電気回路１０３に半田
接合されている。そして、このＭＯＳＦＥＴは金属細線
１０５により電気回路１０３と制御基板１０９ｂに結線
されている。

【００６８】次に、フレキシブル基板１１０は、予め制
御基板１０９ａ、１０９ｂに半田接合され、電気的に接
続されている。そして、これら制御基板１０９ａ、１０
９ｂはガラスエポキシ製である。

【００６９】ここで使用されているフレキシブル基板１
１０は、例えば図８の従来技術において使用されている
内部端子８０１に比較して剛性が小さいので、熱変形に
より生じる応力が充分に緩和でき、半田付け部に生じる
歪みを小さくすることができる。

【００７０】このとき、フレキシブル基板では、従来技
術における内部端子のように制御基板を支える機能が得
られないが、この実施形態では、制御基板１０９ａを台
座１１４でケース１０６に位置決めして支え、その上で
封止樹脂１１２によりケース１０６に固定するようにし
てあるので、振動により制御基板が動く虞れがなく、半
田付け部に生じる歪みを確実に抑えることができる。

【００７１】一方、フレキシブル基板は、例えば図１０
に示した従来技術におけるフラットケーブルに比較して
は剛性が高い。従って、フラットケーブルと異なり、自
動面実装が可能になり、後述するように、半田付け回数
の少ない安価な製造プロセスが適用できる。

【００７２】次に、制御基板１０９ａはガラスエポキシ
製の多層基板で、これに電子部品を両面実装している。
他方、制御基板１０９ｂには、上面にだけ電子部品を実
装している。なお、上記したように、図１では、制御基
板１０９上の電子部品が省略して描かれている。

【００７３】そこで、この実施形態では、制御基板１０
９ａ、１０９ｂに電子部品を実装する際、図２で説明し
たように、フレキシブル基板１１０も同時に実装するこ
とにより、図８に示した従来技術で必要としていた内部
端子８０１と制御基板１０９ａ、１０９ｂの半田付け工
程が不要にできる。

【００７４】また、この実施形態では、図１(b)に示さ
れているように、フレキシブル基板１１０の大部分が柔
らかいシリコンゲルにより封止されているので、ケース
１０６の熱変形や振動により半田接合部に加わる応力を
緩和させることができる。

【００７５】そして、この半導体電力変換装置は、封止
樹脂１１２で封止することにより完成されるが、この封
止樹脂１１２は、ケース１０６のフタを形成させると共
に、制御基板１０９ａをケース１０６に固定する機能を
担うので、比較的硬いエポキシ樹脂を用いる。

【００７６】この実施形態によれば、２枚の制御基板の
間の電気的な接続にフレキシブル基板を用いたので、高
機能に構成したにもかかわらず設置面積が小さく、しか
も高い信頼性を持った半導体電力変換装置を安価に提供
することができる。

【００７７】また、この実施形態によれば、複数枚、つ
まり２枚の制御基板が、当初は１枚の制御基板として作
られ、これに必要な電子部品が実装された後、分割され
て必要な枚数、つまり２枚の制御基板として得られる。

【００７８】従って、この実施形態によれば、当初は１
枚の基板として形成することができるので、複数枚の制
御基板を有するにもかかわらず、自動実装により容易に
面実装することができ、この結果、半田付けの回数が少
ない安価なプロセスで製造することができる。

【００７９】次に、本発明の他の実施形態について説明
する。まず、本発明の第２の実施形態による半導体電力
変換装置について、図３により、組立方法に重点をおい
て説明する。

【００８０】まず、図３(a)に示すように、制御基板１
０９を用意する。ここで、この制御基板１０９は、図２
で説明した通りで、多層ガラスエポキシ基板からなる制
御基板１０９に制御回路を構成する電子部品が実装され
ているもので、このとき、フレキシブル基板１１０とコ
ネクタ１１はそれぞれ別の面に搭載されている。

【００８１】ガラスエポキシ基板には、予め切れ込みと
なるＶ字形の溝Ｇが入れてあり、電子部品搭載後に折り
曲げるだけで、容易に複数の部分に割ることができ、従
って夫々にフレキシブル基板１１０とコネクタ１１１を
含む電子部品を半田付けした後、割ることにより半田付
けの回数が少なくて済むようになっている。

【００８２】しかして、このことから、これら制御基板
１０９ａと制御基板１０９ｂには、まず、厚さが等し
く、導電層の層数が等しいくなければならないという制
約があり、次に、制御基板１０９ａの下側(図３)と制御
基板１０９ｂの上側で電子部品の実装に使用する半田の
融点が等しく、且つ組成も等しくなければならず、更に
は、コネクタ１１１が搭載される側の面で、溝Ｇから先
の部分、つまり接合面Ｊには電子部品を搭載してはなら
ないという制約がある。

【００８３】一方、フレキシブル基板１１０には、自動
面実装を可能にするため、つまり自動マウンタで真空吸
着する際、変形することがないようにするため、ある程
度の剛性が必要であるのは、当然のこととして、その長
さにも制約がある。

【００８４】ここで、このフレキシブル基板１１０の長
さとは、一方の接続点から他方の接続点までの距離のこ
とで、これが長くなると、各制御基板の面でフレキシブ
ル基板が接触してしまう部分も長くなってしまうので、
電子部品が実装できない面積が広くなってしまうからで
ある。

【００８５】このことから、この実施形態における組立
プロセスでは、フラットケーブルに比較して小さな寸法
で折り曲げの自由度が小さいフレキシブル基板を使いこ
なすために、フレキシブル基板の曲げを最小限にする工
夫が必要である。

【００８６】まず、フレキシブル基板１１０の長さに制
約があることから、制御基板１０９ａと制御基板１０９
ｂの間隔は、この長さ６０〜９０％程度が限度である。
すなわち、制御基板の間隔を大きくとろうとすると、図
１(b)に示すように、フレキシブル基板１１０が曲げら
れたとき、各制御基板１０９ａ、１０９ｂの面に接触し
て電子部品が搭載できなくなってしまう面積が大きくな
ってしまう。よって、フレキシブル基板１１０の長さ、
ひいては制御基板１０９ａと制御基板１０９ｂの間隔を
狭くすることが肝要である。

【００８７】一方、このフレキシブル基板１１０につい
ての剛性と寸法の制約による結果として、半導体電力変
換装置が完成後でもフレキシブル基板１１０に捻れが発
生する虞れがなくなる。すなわち、夫々の制御基板１０
９ａと制御基板１０９ｂに割った後、それら割った後の
端部同士が平行状態から外れる虞れはない。

【００８８】図３に戻ると、この実施形態では、ケース
１０６の外壁の一部を別体構成にすることにより、フレ
キシブル基板１１０の曲げが小さくできるように工夫が
してある。

【００８９】図３(a)に示した通りの制御基板１０９が
用意できたら、次に図３(b)に示すように、この制御基
板１０９を、外部端子１０８がインサート形成してある
ケース１０６と共に、放熱板１０１に接着する。ここで
放熱板１０１には、半導体スイッチング素子１０４など
が半田付けされていることは勿論である。

【００９０】そして、このときは、制御基板１０９の制
御基板１０９ｂとなる部分の接合面Ｊが樹脂絶縁層１０
２を介して放熱板１０１に接着されるが、このときのケ
ース１０６は、上記したように、一部が壁部３０２(後
述)として別体に作られ、そこが開いているので、図３
(c)に示すように、制御基板１０９を割らずに、そのま
ま接着でき、更に金属細線１０５による外部端子１０８
と半導体スイッチング素子１０４、電気回路１０３、そ
れに制御基板１０９ｂの間の結線を行なうことができ
る。

【００９１】この後、制御基板１０９を溝Ｇで割り、矢
印Ｘで示すようにフレキシブル基板１１０を折り返し、
制御基板１０９ａを台座１１４に載置させる。そして、
壁部３０２を接着した後、シリコンゲルの樹脂１０７に
より封止し、更に封止樹脂１１２で封止して制御基板１
０９ａがケース１０６に固定されると共に、ケース１０
６にフタがされるようにしてやれば、図３(d)に示す半
導体電力変換装置が得られることになる。

【００９２】次に、図４は、ケース１０６の分け方を変
更した場合の本発明の他の一実施形態で、この場合は、
まず、図４(a)に示すように、制御基板１０９を溝Ｇで
割って制御基板１０９ａと制御基板１０９ｂに分割した
後、ケース１０６の底部段差部１０６ｂの上に、一方の
制御基板１０９ｂだけを接着するのである。

【００９３】この実施形態の場合、ケース１０６の制御
基板側の壁の高さは、シリコンゲル樹脂１０７の充填に
充分であり、このとき、段差部１０６ｂは、フレキシブ
ル基板１１０の長さ寸法で対応可能な高さ、つまり制御
基板１０９ａと制御基板１０９ｂの間隔が所定値になる
ような高さにしてある。

【００９４】次に、図４(b)に示すように、金属細線１
０５による結線を行なう。そして、この後、図４(c)に
示すように、フレキシブル基板１１０を折り返し、制御
基板１０９ａをケース１０６の台座１１４の上で、つめ
１１５に係合させて位置決めする。

【００９５】そして、この後、図４(d)に示すように、
シリコンゲルの樹脂１０７で封止した後、制御基板側の
壁の一部を含むフタ４０１をケース１０６の上から接着
することにより、半導体電力変換装置が完成する。な
お、このとき、はっきりとは図示されていないが、フタ
４０１には、コネクタ１１１を通すための孔が開けてあ
るところで、以上の実施形態は、制御基板を２枚に分割
した場合であるが、本発明は、更に多くの枚数に分割し
て実施してもよく、ここで、図５は、制御基板を３枚に
分割した場合の本発明の一実施形態である。

【００９６】この実施形態では、まず図５(a)に示すよ
うに、制御基板１０９の２箇所に折り曲げ切離し用の
溝、すなわち溝Ｇと溝Ｇａを設け、これにより、制御基
板１０９ａと制御基板１０９ｂとなる部分の間に、更に
制御基板１０９ｃとあ部分が形成されるようにする。こ
のとき、図１〜図４で説明した実施形態とは異なり、図
示のように、フレキシブル基板１１０とコネクタ１１１
は制御基板１０９同一の面に搭載する。

【００９７】また、この実施形態では、図５(b)に示す
ように、底部だけで側壁部が無い形のケース１０６ｃを
用い、まず、このケース１０６ｃの一部の上に制御基板
１０９の制御基板１０９ｂとなる部分を接着し、この
後、金属細線１０５による結線を施す。

【００９８】次いで、同じく図５(b)に示すように、溝
Ｇと溝Ｇａの２箇所で制御基板１０９を割り、制御基板
１０９ｃとなる部分が制御基板１０９ｂの上に重なるよ
うにして溝Ｇの部分で折り曲げた後、更に溝Ｇａの部分
では、制御基板１０９ａが制御基板１０９ｃの上に重な
るようにして、反対側に折り返すのである。

【００９９】この際、図示していないが、ケース１０６
ｃの周辺部に台座とボスピンを立てておき、これに対応
して、制御基板１０９には、その所定の位置に孔を設
け、これらを組み合わせることにより、図５(b)に示す
ような制御基板１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃの位置決
めが得られるようにする。

【０１００】そして、この後、フタ４０１ａをかぶせ、
ケース１０６ｃ接着し、フタ４０１ａに設けてあるシリ
コンゲル注入孔５０２からシリコンゲルの樹脂１０７を
内部注入後、所定の粘度に硬化させ、キャップ５０１を
接着することにより、半導体電力変換装置が完成する。

【０１０１】この図５の実施形態によれば、小さな設置
面積のモジュールにおいて、制御基板の面積を更に広く
確保することができ、半導体電力変換装置の更なる高機
能にも充分に対応することができる。

【０１０２】次に、図６も本発明の実施形態で、これは
図５の変形例に相当し、図６(a)に示すように、コネク
タ１１１が搭載される制御基板１０９ａとなる部分を中
央に配置し、その両側に制御基板１０９ｂ、１０９ｃを
設けたもので、このとき、コネクタ１１１については、
フレキシブル基板１１０、１１０ａとは反対側の面に搭
載し、且つ、制御基板１０９ａと制御基板１０９ｂの間
を接続するフレキシブル基板１１１の長さを或る程度、
長くしたものである。

【０１０３】そして、これにより、各制御基板について
の折り曲げ方向が全て同じになり、制御基板１０９ａと
制御基板１０９ｂの間に、あたかも制御基板１０９ｃが
包み込まれているようにして配置されるようにしたもま
であり、その他は図５の実施形態と同じであり、同じく
少ない設置面積で高機能の半導体電力変換装置を得るこ
とができる。

【０１０４】次に、本発明の特徴の一つである制御基板
の分割について、更に詳細に説明すると、まず、以上の
実施形態では何れも、溝Ｇにより基板を割り、複数の基
板に分割している。

【０１０５】従って、この場合は、図７(a)に示すよう
に、ガラスエポキシ製の基板１０９の両面からＶ字形断
面の溝Ｇ(Ｇａ)を形成しておき、これを折り曲げること
により、図示のように、例えば２枚の制御基板１０９
ａ、１０９ｂに分割しているものであり、従って、この
場合、割った後は、各基板の端部にＶ溝の痕跡としての
角落としが残る。

【０１０６】次に、図７(b)は、Ｖ溝の代りに、連結部
Ｒを残して複数のスリット(角孔)Ｓを設け、分割線とし
たもので、図７(c)は複数の小孔Ｈを縫い目状に設け、
これを分割線としたものであり、いずれの場合も、基板
を折り曲げることにより、残られている連結部分に応力
が集中し、この部分で割れることにより、図示のよう
に、２枚に分離されることになる。そして、割った後
は、突起部Ｐが痕跡として残る。

【０１０７】従って、何れの場合も、夫々割った後に痕
跡が残るが、制御基板全体からみると僅かな面積である
から、特に問題にはならない。また、切れ込み部分には
部品を搭載出来ないが、これも制御基板全体からみれば
僅かな面積であるので、これも特に問題にならない。

【０１０８】以上の実施形態によれば、複数枚の制御基
板を有するにもかかわらず、当初は１枚の基板として形
成することができ、この結果、自動実装により容易に面
実装することができ、半田付けの回数が少ない安価なプ
ロセスで容易に製造することができる。

【０１０９】以上の実施形態によれば、高機能であるに
もかかわらず、モジュールの設置面積が小さく抑えら
れ、応力による接続部の信頼性低下の虞れがなく、半導
体スイッチング素子の放熱が充分で、組立プロセスの低
減によるコスト低減が充分に得られる半導体電力変換装
置を提供することができる。

【０１１０】

【発明の効果】本発明によれば、１枚の基板から複数枚
の制御基板を得るようにしたので、応力による接続部の
信頼性低下の虞れがなく、半導体スイッチング素子の放
熱が充分に得られることによる高信頼性を備えながら、
組立プロセスの低減によるコスト低減が充分に得られる
ことになり、この結果、設置面積が小さく、高機能の半
導体電力変換装置を低コストで容易に提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体電力変換装置の第１の実施
形態を示す平面図と断面図である。

【図２】本発明の実施形態における制御基板の一例を示
す説明図である。

【図３】本発明による半導体電力変換装置の第１実施形
態の組立プロセスを示す断面図である。

【図４】本発明による半導体電力変換装置の第２実施形
態の組立プロセスを示す断面図である。

【図５】本発明による半導体電力変換装置の第３実施形
態の組立プロセスを示す断面図である。

【図６】本発明による半導体電力変換装置の第４実施形
態の組立プロセスを示す断面図である。

【図７】本発明の実施形態における制御基板の分割手法
の説明図である。

【図８】従来技術の第１の例を説明するための断面図で
ある。

【図９】従来技術の第２の例を説明するための断面図で
ある。

【図１０】従来技術の第３の例を説明するための断面図
である。

【図１１】従来技術の第４の例を説明する溜めの断面図
である。

【符号の説明】

１０１放熱板１０２樹脂絶縁層１０３電気回路１０４半導体スイッチング素子(ＭＯＳＦＥＴ) １０５金属細線１０６ケース１０７封止用の樹脂１０８外部接続端子１０９制御基板１１０フレキシブル基板１１１外部接続用のコネクタ１１２封止用の樹脂１１３取り付け穴１１４台座１１５つめ３０１切れ込み３０２壁部４０１フタ５０１キャップ５０２ゲル注入孔８０１内部端子８０２熱拡散板９０１コネクタ１００１金属ケース１００２フラットケーブル１１０１薄型ディスプレイ１１０２ドライバＩＣ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者阪東明茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所インバータ推進本部内Ｆターム(参考） 5H740 BA12 MM08 PP01 PP02 PP03 PP06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体スイッチング素子と同一のケース
内に複数枚の制御基板を備えた半導体電力変換装置にお
いて、前記複数枚の制御基板が、当初、１枚の基板から作ら
れ、夫々の制御基板となる部分の間にフレキシブル基板
による電気的接続が施された後、当該制御基板となる部
分毎に分離して構成されていることを特徴とする半導体
電力変換装置。
【請求項２】請求項１に記載の発明において、前記フレキシブル基板の少なくとも一部は、縦弾性係数
が１×１０^-3〜２Ｍｐａの樹脂で封止され、前記複数枚の制御基板のうちの少なくとも１枚は、前記
半導体スイッチング素子の放熱板から空間的に離されて
いることを特徴とする半導体電力変換装置。
【請求項３】請求項１に記載の発明において、前記複数枚の制御基板は、前記１枚の基板を割ることに
より分離されていることを特徴とする半導体電力変換装
置。
【請求項４】請求項３に記載の発明において、前記１枚の基板が、所定の位置に溝又はスリット若しく
は縫い目状に配置した複数の小孔の何れかを備え、前記
分離が、これらの何れかの部分で割ることにより与えら
れていることを特徴とする半導体電力変換装置。